一种碳纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于材料制备领域，提供了一种碳纳米复合材料及其制备方法，先将纤维素微纤维泡在前驱物溶液中进行溶胀，然后将溶胀纤维素微纤维放入反应液中，使前驱物与反应液反应，得到的反应产物被纤维素微纤维吸取，然后将纤维素微纤维再浸泡于含氮溶液中，使纤维素微纤维中含有氮，经预氧化和碳化后，得到掺氮的碳纳米复合材料。获得的碳纳米复合材料中，纳米颗粒的尺寸较小，并且纳米颗粒处于碳材料的内部；浸入含氮溶液中进行的掺氮操作有利于获得较小颗粒金属氧化物颗粒且能位于碳纤维内部。本发明专利技术获得的碳纳米复合材料作为电极材料组装成锂电池，能够使锂电池的稳定性得到极大提高，在能源存储和转化的应用方面具有较好前景。

A carbon nanocomposite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米复合材料及其制备方法
本专利技术属于材料制备领域，具体涉及一种碳纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
在锂离子电池电极材料或催化材料中，为了便于电子的传输一般将活性材料(如金属或金属氧化物)与碳材料进行复合。利用碳纳米材料如石墨烯或纳米碳管与金属纳米颗粒或金属氧化物进行复合，得到的复合物中的金属纳米颗粒或金属氧化物纳米材料一般出现在碳纳米材料的表面，因而影响这些材料的长期稳定性和活性。金属或金属氧化物进入碳纳米管内部的复合材料的性能更稳定，但金属或金属氧化物进入碳纳米管内部或对出现在石墨烯表面的金属纳米颗粒或金属氧化物进行包覆需要更复杂的处理工艺。静电纺丝技术可以使金属颗粒以及氧化物颗粒包裹于碳纳米纤维中，但是静电纺丝装置较为复杂和昂贵，影响了材料的规模化以及造成材料成本提高。虽然纤维素直接在金属氧化物前驱物的溶液中进行溶胀再进行碳化能够获得金属或金属氧化物/碳复合物，但是经碳化后得到的金属氧化物或者金属颗粒尺寸较大(例如大于100纳米)，而且较大一部分金属或金属氧化物颗粒位于碳材料外部。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种碳纳米复合材料及其制备方法，制备得到的碳纳米复合材料中的纳米颗粒位于碳材料内部。本专利技术提供了一种碳纳米复合材料的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，将纤维素微纤维泡在前驱物溶液中进行溶胀，得到溶胀纤维素微纤维；步骤2，将溶胀纤维素微纤维放入反应液中，使前驱物与反应液反应得到反应产物，然后将吸取反应产物的纤维素微纤维放入含氮溶液中进行浸泡，过滤清洗后得到含氮纤维素微纤维并将含氮纤维素微纤维干燥；步骤3，将含氮纤维素微纤维在空气中进行预氧化得到预氧化纤维素微纤维；步骤4，将预氧化纤维素微纤维在预定气氛中碳化得到碳纳米复合材料。在本专利技术提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，预定气氛为惰性气氛，碳纳米复合材料为氧化物/掺氮碳复合纤维。在本专利技术提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，预定气氛为还原性气氛，碳纳米复合材料为单质/掺氮碳复合纤维。在本专利技术提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，还原性气氛为5％H2与95％Ar组成的混合气体。在本专利技术提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，前驱物为氯化物和/或金属硝酸盐。在本专利技术提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，，氯化物为FeCl3、FeCl2、NiCl2、SnCl2、SnCl4、AlCl3、PtCl3、AuCl4、CuCl2、ZnCl2、TiCl4、NbCl5、MoCl3、MnCl2、PdCl2、SiCl4、GeCl4、BiCl3、RhCl3或RuCl3中的任意一种或几种，金属硝酸盐为Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、Zn(NO3)2、Mn(NO3)2、Bi(NO3)3、Al(NO3)3或Co(NO3)2中的任意一种或几种。在本专利技术提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，前驱物为SnCl2、SnCl4或SiCl4中的任意一种或几种，前驱物溶液中的溶剂为乙醇、二甲基甲酰胺或四氢呋喃中的任意一种或几种，反应液为水，步骤2中，含氮溶液为尿素溶液、三聚氰胺溶液或聚吡咯溶液中的任意一种或几种，前驱物发生水解反应得到反应产物。在本专利技术提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，前驱物为FeCl3、FeCl2、NiCl2、AlCl3、PtCl3、AuCl4、CuCl2、ZnCl2、TiCl4、NbCl5、MoCl3、MnCl2、PdCl2、GeCl4、BiCl3、RhCl3、RuCl3、Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、Zn(NO3)2、Mn(NO3)2、Bi(NO3)3、Al(NO3)3或Co(NO3)2中的任意一种或几种，步骤2中，反应液为氨水，前驱物与氨水发生反应得到反应产物。本专利技术提供了一种碳纳米复合材料的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，将纤维素微纤维泡在前驱物溶液中进行溶胀，得到溶胀纤维素微纤维；步骤2，将溶胀纤维素微纤维放入含氮溶液中，含氮溶液中的溶剂为水，前驱物在含氮溶液中水解得到反应产物，然后过滤清洗后得到含氮纤维素微纤维并将含氮纤维素微纤维干燥；步骤3，将含氮纤维素微纤维在空气中进行预氧化得到预氧化纤维素微纤维；步骤4，将预氧化纤维素微纤维在预定气氛中碳化得到碳纳米复合材料，其中，步骤1中，前驱物溶液中的溶剂为乙醇、二甲基甲酰胺或四氢呋喃中的任意一种或几种。本专利技术还提供了一种碳纳米复合材料，具有这样的特征：碳纳米复合材料包括碳材料及纳米颗粒，纳米颗粒的粒径小于100nm，位于碳材料的内部，其中，碳纳米复合材料由碳纳米复合材料的制备方法制备得到。专利技术的作用与效果根据本专利技术所提供的碳纳米复合材料的制备方法，选用环境友好，可再生可持续资源的纤维素微纤维作为碳源，先将纤维素微纤维泡在前驱物溶液中进行溶胀，然后将溶胀纤维素微纤维放入反应液中，使前驱物与反应液反应，得到的反应产物被纤维素微纤维吸取，然后将纤维素微纤维再浸泡于含氮溶液中，使纤维素微纤维中含有氮，经预氧化和碳化后，得到掺氮的碳纳米复合材料。获得的碳纳米复合材料中，纳米颗粒的尺寸较小，并且纳米颗粒处于碳材料的内部。并且浸入含氮溶液中进行的掺氮操作有利于获得较小颗粒金属氧化物颗粒且能位于碳纤维内部。获得的碳纳米复合材料作为电极材料组装成锂电池，能够使锂电池的稳定性得到极大提高。因此，本专利技术的原料来源广泛，制备方法简易，获得的复合材料较为稳定，该纳米复合材料作为电极在能源存储和转化的应用方面具有较好前景。附图说明图1是本专利技术的实施例中的制备方法流程图；图2是本专利技术的实施例1中的氧化锡/掺氮碳纳米复合纤维的X射线粉末衍射(XRD)图；图3(a)及图3(b)是本专利技术的实施例1中的氧化锡/掺氮碳纳米复合纤维的扫描电镜图；图3(c)及图3(d)是本专利技术的实施例1中的氧化锡/掺氮碳纳米复合纤维的透射电镜图；图3(e)是本专利技术的实施例1中的氧化锡/掺氮碳纳米复合纤维的元素分析结果图；图3(f)、图3(g)及图3(h)是本专利技术的对比例1中的氧化锡/非掺氮碳纳米纤维的扫描电镜和投射电镜检测结果图；图4是本专利技术的实施例2中的氧化铁/掺氮碳纳米复合纤维的扫描电镜图；图5是本专利技术的实施例2中的氧化铁/掺氮碳纳米复合纤维的X射线粉末衍射图(XRD)；图6是本专利技术的应用例1中的锂电池A及锂电池B的倍率性能结果示意图；图7是本专利技术的应用例1中的锂电池A的长循环稳定性测试图；图8是是本专利技术的应用例2中的锂电池C的长循环稳定性测试图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本专利技术一种碳纳米复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，将纤维素微纤维泡在前驱物溶液中进行溶胀，得到溶胀纤维素微纤维；/n步骤2，将所述溶胀纤维素微纤维放入反应液中，使所述前驱物与所述反应液反应得到反应产物，然后将吸取所述反应产物的所述纤维素微纤维放入含氮溶液中进行浸泡，过滤清洗后得到含氮纤维素微纤维并将所述含氮纤维素微纤维干燥；/n步骤3，将所述含氮纤维素微纤维在空气中进行预氧化得到预氧化纤维素微纤维；/n步骤4，将所述预氧化纤维素微纤维在预定气氛中碳化得到碳纳米复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将纤维素微纤维泡在前驱物溶液中进行溶胀，得到溶胀纤维素微纤维；
步骤2，将所述溶胀纤维素微纤维放入反应液中，使所述前驱物与所述反应液反应得到反应产物，然后将吸取所述反应产物的所述纤维素微纤维放入含氮溶液中进行浸泡，过滤清洗后得到含氮纤维素微纤维并将所述含氮纤维素微纤维干燥；
步骤3，将所述含氮纤维素微纤维在空气中进行预氧化得到预氧化纤维素微纤维；
步骤4，将所述预氧化纤维素微纤维在预定气氛中碳化得到碳纳米复合材料。


2.根据权利要求1所述的碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：
其中，步骤4中，所述预定气氛为惰性气氛，所述碳纳米复合材料为氧化物/掺氮碳复合纤维。


3.根据权利要求1所述的碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：
其中，步骤4中，所述预定气氛为还原性气氛，所述碳纳米复合材料为单质/掺氮碳复合纤维。


4.根据权利要求3所述的碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：
其中，所述还原性气氛为5％H2与95％Ar组成的混合气体。


5.根据权利要求1所述的碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：
其中，步骤1中，所述前驱物为氯化物和/或金属硝酸盐。


6.根据权利要求5所述的碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：
其中，所述氯化物为FeCl3、FeCl2、NiCl2、SnCl2、SnCl4、AlCl3、PtCl3、AuCl4、CuCl2、ZnCl2、TiCl4、NbCl5、MoCl3、MnCl2、PdCl2、SiCl4、GeCl4、BiCl3、RhCl3或RuCl3中的任意一种或几种，
所述金属硝酸盐为Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、Zn(NO3)2、Mn(NO3)2、Bi(NO3)3、Al(NO3)3或Co(NO3)2中的任意一种或几种。


7.根据权利要求5所述的碳纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：包志豪，吴广明，高国华，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31